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天然原料合成Al_4SiC_4的机理与性能研究

辜孔良  
【摘要】: Al_4SiC_4具有高熔点(大约2037℃)、高强度、高化学稳定性、低热膨胀系数以及优异的抗氧化和抗水化性能,使其有希望成为一种高温结构材料和高性能耐火材料。目前合成Al_4SiC_4材料主要采用人工合成原料,虽然能制备出Al_4SiC_4材料,但相应的制备成本比较高,很难实现生产的工业化。 本文采用Al_2O_3-SiO_2系天然原料(焦宝石和白泥)、金属Al粉和活性炭粉作为原料合成Al_4SiC_4材料,采取三种方案:(1)天然原料+C,(2)二次合成反应,(3)金属Al+天然原料+C。在100MPa压力下压制成试样,试样干燥后在流动的氩气下高温烧结。 通过热力学计算,对反应的可行性进行评估;结合X射线衍射(XRD)物相分析的结果,分析了反应过程中的物理化学变化,总结出最佳的合成方案和配比;采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDX)观察了合成的材料的显微结构并对微区成分进行分析;通过综合热分析(TG-DTA)研究合成材料的氧化过程;采用坩埚法研究合成的材料的抗渣性。 通过研究分析,得出: (1)采用Al_2O_3-SiO_2系天然原料+C高温合成时,没有得到Al_4SiC_4材料,而是得到了其中间产物Al_4O_4C和Al_2OC;二次合成的过程中,在添加金属Al时得到了少量的Al_4SiC_4,说明金属Al对合成Al_4SiC_4起较大作用。 (2)添加金属Al对天然原料+C合成Al_4SiC_4的影响的过程中,金属Al的加入量对反应机理和最终产物的影响也很大。加不足的Al时很难合成Al_4SiC_4;加过量的Al时合成了Al_4SiC_4,且得到了最佳的合成配比。反应过程为:在660℃左右,发生金属Al的熔化,然后天然原料中的莫来石首先和碳反应,生成Al_2O_3和SiC,同时,Al和C反应生成Al_4C_3;随着温度升高,已经生成的Al_4C_3和原料中的SiO_2反应生成Al_2O_3和SiC,Al_4C_3也和Al_2O_3反应生成Al_4O_4C,生成的Al_4O_4C和C反应生成Al_2OC,最后由生成的Al_2OC、SiC和碳反应合成Al_4SiC_4。 合成的复相材料中Al_4SiC_4的颗粒多为片状或块状,尺寸比较大,在十几微米到几十微米之间;Al_4O_4C颗粒较小,存在于Al_4SiC_4颗粒周围和缝隙间。 对复合材料做抗氧化试验和抗渣试验发现其有较好的抗氧化效果和较强的抗侵蚀性能。


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